基于英飛凌MCU 的專用車輛并行遙控系統設計*

高 欣， 涂朝輝， 陳鑫凱， 趙 朋， 孫 帥， 吳 珂

（河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室唐山學院， 河北 唐山 063000）

1 研究背景

水泥罐車、挖掘機等工程車輛的作業環境惡劣危險，現場作業會使得車輛操作人員身處險境，如圖1所示，而一套便捷的遙控系統可以讓操作人員自由地選擇相對安全的環境對車輛動作進行遠距離控制，可以降低現場作業風險，不必拘泥于駕駛室操作臺，更容易觀察現場的作業條件，改善作業品質。遙控系統作業可以有效減少人員傷亡，降低風險損失，整體提高工作效率和安全性。

圖1 工程車輛作業環境危險現場

目前遙控大多通過紅外、無線電信號、藍牙、WIFI等無線數據鏈路進行發射和接收，發射端的按鈕信號被接收端轉換為開關信號，實現車載開關設備的控制[1]。但是，目前車載控制器在工程車輛中逐漸普及，其大多采用CAN通信方式，現有遙控系統不能轉換為車載CAN信息，不能實現與現有車輛車載總線的接口。

本項目研發了一種專用車輛通用的并行遙控系統，以水泥罐車、挖掘機等工程車輛為研究對象，實現車輛作業遙控功能。專用車輛并行遙控系統主要實現水泥罐車常規操作、挖掘機液壓缸控制、方向閥、油門等，該系統支持作業人員遙控車輛動作，控制權限與駕駛室操作面板并行，遙控信息能夠轉化為常用的車載CAN協議信息，同時兼顧車載數字設備的開關信號輸出，通用性更強。

2 并行遙控系統整體設計

2.1 并行遙控系統的通信流程設計

如圖2所示，系統分為發射端模塊、接收端模塊，其中發射端用于操作人員手持，接收端模塊為車載設備固定于車輛，發射端和接收端之間通過無線鏈路完成通信。

圖2 并行遙控系統的通信鏈路示意圖

2.2 通信方式和通信協議的選定

目前更多的工程車輛車載操作臺與執行設備之間采用CAN通信，一般工程車輛車載控制器都選擇CAN接口通信[2]，因此，車端選定CAN通信。發射端和車端之間的無線聯絡選用WIFI無線傳輸。

2.3 系統設計

如圖3所示，并行遙控系統系統由發射端、接收端兩部分子系統組成。

圖3 并行遙控系統組成設計

1） 發射端。發射端遙控器按鈕的開關量輸入單片機，單片機接收并判斷按鍵ID，并形成鍵盤狀態數據信息，單片機將鍵盤狀態數據信息以TTL電信號輸出，TTL-CAN模塊將TTL信號轉換為CAN信息，在經CAN-WIFI模塊將CAN信息轉換為WIFI無線信號傳輸至接收端。

2） 接收端。接收端安裝于工程車輛(車端)，其通過無線WIFI形式接收控制信息，CAN-WIFI模塊轉換WIFI信號轉換為CAN信號，CAN信號接入車載控制器的CAN總線，同時，TTL-CAN模塊將CAN信息轉換為TTL信號輸入進單片機，單片機做解算和判斷后輸出開關信號，控制車載開關設備，并行于駕駛室實現車輛動作功能。

3） 雙向通信鏈路。為便于調試和后續遠程監控功能的開發，目前的方案設計了發射端和接收端的雙向通信鏈路。

3 系統硬件選型和硬件系統設計

3.1 硬件系統組成與原理

如圖4所示，系統硬件選型如下。其他為12V、5V電源燈，模塊選型單一，便于開發調試和生產組織。

圖4 專用車輛并行遙控系統硬件系統原理圖

1） 發射端：TC264單片機、TTL轉CAN模塊、CAN轉WIFI模塊（GCAN-211模塊）。

2） 接收端：TC264單片機、TTL轉CAN模塊、CAN轉WIFI模塊（GCAN-211模塊）。

3.2 TC264單片機

發射端和接收端為兩片TC264單片機負責接收開關量、串口通信、輸出開關量、邏輯判斷、數據打包、數據解析等。

3.3 TTL轉CAN模塊

TC264的P14.0和P14.1引腳連接TTL轉CAN模塊（圖5）的TX和RX引腳，發送端TTL轉CAN模塊負責將單片機信號的TTL信號轉成CAN進行傳輸，發送端TTL轉CAN模塊負責再將CAN信息轉換為TTL信號輸入單片機，CAN總線連接通信電纜為CAN_H和CAN_L，模塊通過AT指令或者串口調試工具配置為數據透傳模式。

圖5 TTL轉CAN模塊

3.4 CAN轉WIFI模塊

發射端和接收端的CAN轉WIFI模塊（圖6）負責將CAN_H和CAN_L線路的CAN信息和WIFI信號之間互相轉換。

圖6 CAN轉WIFI模塊

3.5 系統電氣連線設計

如圖7所示，發射端通過P23.1、P32.4、P13.1、P15.0、P21.2、P21.3、P21.4和P21.5 作 為8 個 按 鍵，接收 端 通 過P13.2、 P15.4、 P33.10、 P33.13、 P20.8、 P00.1、 P22.3、P00.2作為車端數字開關量輸出DO1-DO8，其中CAN_H、CAN_L為車載CAN總線。

圖7 發射端/接收端電氣連線圖

發送端的設計主要分為4個部分：發送TC264單片機、TTL轉CAN模塊、WIFI轉CAN模塊、電源等。發送端程序包括按鍵識別、消抖、數據打包、串口數據傳輸等，TC264單片機通過P14.0和P14.1端口發送數據給TTL轉CAN模塊，該轉換模塊負責將信號轉換成CAN信號進行發送，TTL轉CAN模塊的CAN-L和CAN-H引腳口連接WIFI轉CAN模塊的CANL和CAN-H引腳，其將轉換CAN信號傳輸給CAN轉WIFI模塊，該模塊將CAN信號轉換成WIFI無線信號對外傳輸。

接收端的設計主要分為4個部分：WIFI轉CAN模塊、TTL轉CAN模塊、接收TC264單片機、電池組。WIFI轉CAN模塊接收WIFI信號之后通過WIFI轉CAN模塊將其信號轉成CAN信號并發送到TTL轉CAN模塊，該模塊將CAN信號轉成單片機可以識別的信號輸入TC264單片機，TC264單片機接收到信號后解析并進行相關判斷，輸出為DI0-DI8的控制信號實現相應的動作和姿態控制，同時并聯的CAN_H、CAN_L跟車載控制器的CAN接口連接，通過車載控制器CAN信息完成車輛控制。

3.6 AURIX軟件設計

使用英飛凌開發軟件AURIX Development Studio構建開發環境框架，測試程序的編寫燒錄，發射端單片機對8個按鍵的對應串口進行編程，選擇P23.1、P32.4、P13.1、P15.0、P21.2、P21.3、P21.4和P21.5作為8個按鍵的發送引腳口，接收 端 選 擇P13.2、P15.4、P33.10、P33.13、P20.8、P00.1、P22.3和P00.2作為8個動作的輸出端口，編程完成后將程序分別燒錄在發射單片機和接收單片機。AURIX Development Studio編程界面如圖8所示。

圖8 AURIX Development Studio編程界面

3.7 無線遙控器外殼結構設計

利用三維建模軟件Solidworks對無線遙控器外殼進行設計和模擬裝配，做必要的有限元分析，驗證其設計的合理性，如圖9所示。本課題所設計的無線遙控器體積小，可以通過螺栓固定在方便使用的地方，也可以通過無線遙控器上的兩個手柄拿在手上，方便實時操作，滿足各種情況安裝需求。

圖9 遙控器三維設計圖

4 系統調試

并行遙控系統通過驗證可以實現相關控制動作，圖10為控制信號傳到接收端單片機的測試實驗，右側開發板為信號發射端，手指按動右側開發板上按鍵控制綠色LED燈點亮，經無線網絡通信，控制左側開發板上綠色LED燈顯示為相同的狀態，能實現無線遙控，控制挖掘機做出相應的規定動作。

圖10 調試試驗現場

5 結論

本課題實現了基于英飛凌TC264的發射和接收遙控系統的硬軟件設計、制作和試驗，該系統與工程車輛車載控制系統無線并行，實現了CAN通信傳輸、WIFI通信對工程車輛的遙控并行控制。后期在產品人機工程學、成本控制等方面要進行更深入的研究。